嚴(yán)寒地區(qū)大玻璃幕墻建筑節(jié)能技術(shù)路線探究

楊 勇 王自尚 周雪瑤

(黑龍江科技大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150022)

1 概述

嚴(yán)寒地區(qū)主要包括我國(guó)東北地區(qū)、內(nèi)蒙古、新疆北部、西藏北部、青海等地區(qū)，氣候條件嚴(yán)酷惡劣，采暖季長(zhǎng)達(dá)近6個(gè)月之久，極端的天氣對(duì)該區(qū)域建筑大玻璃幕墻的應(yīng)用帶來(lái)極大難度。隨著近年來(lái)建筑技術(shù)的不斷提高，幕墻的應(yīng)用儼然成為時(shí)尚建筑的標(biāo)志性元素，然而玻璃幕墻建筑采用大面積玻璃作為圍護(hù)結(jié)構(gòu),熱工性能和光學(xué)性能與傳統(tǒng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有很大不同,它在帶來(lái)美觀通透的藝術(shù)效果的同時(shí),也產(chǎn)生了巨大的能耗問(wèn)題[1]。

調(diào)研發(fā)現(xiàn)哈爾濱市現(xiàn)有的大玻璃幕墻建筑占比很小，哈爾濱大劇院是使用大玻璃幕墻較為典型的一例。松北區(qū)某一在建大型商場(chǎng)主體結(jié)構(gòu)建成后主立面為均勻布置2 000 mm×3 000 mm的方形窗洞，但因?yàn)橹髁⒚娌粔蛎烙^，后期施工過(guò)程中在已經(jīng)建成的主體結(jié)構(gòu)外側(cè)增設(shè)了一層大玻璃幕墻，規(guī)范中規(guī)定,嚴(yán)寒地區(qū)不宜提倡在建筑立面上大面積應(yīng)用玻璃(或其他透光材料)幕墻。如果希望建筑的立面有玻璃的質(zhì)感，可使用非透光的玻璃幕墻，即玻璃的后面仍然是保溫隔熱材料和普通墻體[2]，從光空間的營(yíng)造上來(lái)講，這種幕墻的設(shè)置方法不符合幕墻使用的初衷，本身就是設(shè)計(jì)上的矛盾點(diǎn)，技術(shù)的疲軟給功能和形象帶來(lái)巨大壓力，是嚴(yán)寒地區(qū)大玻璃幕墻應(yīng)用方面需要不斷探究并解決的問(wèn)題。

2 BIM及建筑物理環(huán)境模擬大賽

2.1 競(jìng)賽介紹

“BIM及建筑物理環(huán)境模擬大賽”由黑龍江省教育廳主辦，哈爾濱理工大學(xué)與黑龍江省土木學(xué)會(huì)綠色建筑委員會(huì)承辦，旨在提高青年學(xué)生的科技創(chuàng)新和工程實(shí)踐能力，同時(shí)提高黑龍江省高校在BIM應(yīng)用技術(shù)及綠色建筑領(lǐng)域的教學(xué)和教育水平。競(jìng)賽內(nèi)容要求，在中外建筑大師的作品中挑選設(shè)計(jì)方案，以哈爾濱為模擬建筑地點(diǎn)進(jìn)行建筑信息模型的建立以及物理環(huán)境的模擬分析。對(duì)建筑的合理性進(jìn)行評(píng)價(jià)，并提出改造建議以及節(jié)能設(shè)計(jì)方案，比賽過(guò)程中熱環(huán)境模擬部分所用的節(jié)能分析軟件主要為綠建斯維爾節(jié)能設(shè)計(jì)軟件BECS及綠建斯維爾能耗計(jì)算軟件BESI。

2.2 競(jìng)賽作品簡(jiǎn)介

本次競(jìng)賽方案以巴塞羅那當(dāng)代藝術(shù)博物館為藍(lán)本,在盡可能尊重其原設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上進(jìn)行局部改動(dòng),改造后的方案共三層，功能空間與巴塞羅那藝術(shù)博物館基本一致。保留重要空間的玻璃幕墻、天窗等透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)，對(duì)門(mén)窗、墻體、幕墻等圍護(hù)結(jié)構(gòu)在材料選取、構(gòu)造層次等方面進(jìn)行合理改造設(shè)計(jì)，使之在保證光空間豐富性的同時(shí)滿足節(jié)能的合理性需求。

巴塞羅那當(dāng)代藝術(shù)博物館(如圖1所示)建于1995年，充滿現(xiàn)代派藝術(shù)特色，是建筑大師理查德·邁耶的作品。建筑材料以白色混凝土為主，同時(shí)加入了玻璃的應(yīng)用，功能上博物館在縱向主要為三層展覽空間，橫向主要分為辦公空間、接待空間、展覽空間三部分；除門(mén)廳外，坡道廳以玻璃幕墻圍合；采光方面主要展廳局部靠頂部采光，特別是在頂層，loft式空間被百葉天窗覆蓋，光線通過(guò)天窗和開(kāi)洞照亮底層空間[3]。

2.3 研究對(duì)象及研究目的

本文所要研究的是指有大面積玻璃幕墻應(yīng)用的建筑，以巴塞羅那當(dāng)代藝術(shù)博物館物理環(huán)境模擬項(xiàng)目為具體研究對(duì)象，主要探究其在嚴(yán)寒地區(qū)的節(jié)能設(shè)計(jì)問(wèn)題，對(duì)巴塞羅那當(dāng)代藝術(shù)博物館進(jìn)行建模分析(見(jiàn)圖2)，通過(guò)對(duì)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化調(diào)整，從而發(fā)現(xiàn)大玻璃幕墻建筑的節(jié)能設(shè)計(jì)要點(diǎn)，并提供一種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，為嚴(yán)寒地區(qū)建筑設(shè)計(jì)的多樣化提供技術(shù)支持，從理論上探討嚴(yán)寒地區(qū)大玻璃幕墻建筑的節(jié)能降耗方法，進(jìn)而推動(dòng)玻璃幕墻在嚴(yán)寒地區(qū)建筑中的合理應(yīng)用。

3 嚴(yán)寒地區(qū)大玻璃幕墻建筑節(jié)能設(shè)計(jì)技術(shù)路線

從玻璃在建筑中的應(yīng)用和建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的發(fā)展過(guò)程可以看出,現(xiàn)代建筑中由玻璃所承擔(dān)的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的形式基本可以歸為三種：玻璃采光頂、建筑窗戶、玻璃幕墻。建筑的透明圍護(hù)結(jié)構(gòu),需要具有采光、通風(fēng)、防熱及保溫等多種建筑功能,也需要滿足視覺(jué)愉悅及意義表達(dá)豐富的外觀形態(tài),同時(shí)在建造及節(jié)能方面具有比非透明圍護(hù)更大的挖掘潛力。本文通過(guò)建模分析，優(yōu)化調(diào)整屋頂構(gòu)造，外墻構(gòu)造，天窗，外窗及幕墻的材料選取和組合方式，最終得出滿足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)方案。

3.1 研究對(duì)象的既定參數(shù)

哈爾濱位于中國(guó)最北端，是中國(guó)緯度最高、氣溫最低的大城市，屬于嚴(yán)寒地區(qū)。1月平均氣溫不大于-10 ℃，7月平均氣溫不大于25 ℃。建筑物必須滿足冬季保溫、防寒、防凍等要求，一般可不考慮夏季防熱，本模擬項(xiàng)目的擬建地點(diǎn)就是嚴(yán)寒地區(qū)的代表城市哈爾濱市。

模擬項(xiàng)目方案的建筑面積為8 438.43 m2，主立面朝向南偏東24°，體型系數(shù)為0.22,窗墻比分別為東向0.33、西向0.31、南向0.63、北向0.25。南向立面在方案中有大面積玻璃幕墻的應(yīng)用，因此不滿足嚴(yán)寒地區(qū)各單一立面窗墻面積比(包括透光幕墻)均不宜超過(guò)0.60的相關(guān)規(guī)定，在后續(xù)的圍護(hù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)中按照?qǐng)D3的程序進(jìn)行權(quán)衡判斷，優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.2 非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)構(gòu)造措施的選擇

非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)主要指屋面和外墻，表1為本方案的屋頂和外墻保溫構(gòu)造做法。

表1 非透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)

1)屋頂采用倒置式屋面做法，保溫層為150 mm厚擠塑聚苯板，屋面總厚度350 mm。

2)外墻保溫層為132 mm厚聚苯板，核心層為190 mm厚承重混凝土砌塊，外墻總厚度為370 mm。

3.3 透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇

天窗、外窗和玻璃幕墻是節(jié)能設(shè)計(jì)的重要部分，本方案中應(yīng)用到Low-E玻璃和白玻分層組合的節(jié)能玻璃。

1)天窗采用6+9A+6+9A+6暖邊密封節(jié)能組合玻璃，自遮陽(yáng)系數(shù)為0.77；

2)外窗采用6+12A+6Low-E+9A+6暖邊密封節(jié)能玻璃，可見(jiàn)光投射比為0.76；

3)玻璃幕墻采用4+12A+4Low-E暖邊密封節(jié)能玻璃，可見(jiàn)光投射比為0.80。

3.4 BESC模擬分析結(jié)果

在上述外圍護(hù)結(jié)構(gòu)條件下進(jìn)行能耗模擬計(jì)算，得出主要圍護(hù)結(jié)構(gòu)的熱工性能：

1)外窗及玻璃幕墻的熱工性能為東、西、南、北向透明圍護(hù)結(jié)構(gòu)的傳熱系數(shù)分別是1.27 W/(m2·K),1.41 W/(m2·K),1.21 W/(m2·K)，1.29 W/(m2·K)，綜合平均傳熱系數(shù)為1.27 W/(m2·K)；

2)屋面熱工性能為總傳熱系數(shù)0.23 W/(m2·K)；

3)外墻熱工性能為總體傳熱系數(shù)為0.28 W/(m2·K)，考慮線性熱橋后的值為0.37 W/(m2·K)。

3.5 綜合權(quán)衡判斷

目前，我國(guó)有大型公共建筑5億多棟，用電強(qiáng)度在70 kWh/(m2·年)～300 kWh/(m2·年)之間，是住宅的10倍～20倍。因此，公共建筑能源管理是促進(jìn)節(jié)能的重要途徑之一，它將有效地制約建筑能耗的增長(zhǎng)速度[4，5]。為了提高建筑能耗管理水平，實(shí)現(xiàn)節(jié)能的目標(biāo)和要求，必須建立建筑能耗基準(zhǔn)[6]。公共建筑圍護(hù)結(jié)構(gòu)熱工性能權(quán)衡判斷是提高能源效率、指導(dǎo)建筑節(jié)能設(shè)計(jì)的工具原則，是一種性能化的設(shè)計(jì)方法。

權(quán)衡判斷的具體做法就是先構(gòu)想出一棟虛擬的建筑，稱之為參照建筑，然后分別計(jì)算參照建筑和實(shí)際設(shè)計(jì)的建筑全年供暖和空調(diào)能耗，并依照這兩個(gè)能耗的比較結(jié)果作出判斷。當(dāng)實(shí)際設(shè)計(jì)的建筑能耗大于參照建筑的能耗時(shí)，調(diào)整部分設(shè)計(jì)參數(shù)(例如提高窗戶的保溫隔熱性能、縮小窗戶面積等)，重新計(jì)算設(shè)計(jì)建筑的能耗，直至實(shí)際設(shè)計(jì)建筑的能耗不大于參照建筑的能耗為止[2]。

3.5.1計(jì)算條件

設(shè)定參照建筑相關(guān)參數(shù)進(jìn)行模擬分析計(jì)算，得出分析結(jié)果，見(jiàn)表2。

表2 計(jì)算條件

3.5.2計(jì)算結(jié)果

根據(jù)表2分析計(jì)算得出：全年供暖和空調(diào)總耗電量60.91 kWh/m2、供熱耗電量45.69 kWh/m2、耗熱量80.33 kWh/m2分別小于參照建筑64.90 kWh/m2,50.22 kWh/m2,88.30 kWh/m2的能耗值，依據(jù)GB 50189—2015公共建筑節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)第3.4.2條，本模擬項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案滿足節(jié)能設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

4 結(jié)語(yǔ)

在做嚴(yán)寒地區(qū)大玻璃幕墻節(jié)能設(shè)計(jì)時(shí)，權(quán)衡判斷是有效的性能優(yōu)化設(shè)計(jì)原則，但應(yīng)注意兩點(diǎn)：

1)以玻璃幕墻的功能性為基礎(chǔ);

2)對(duì)建筑整體能耗做權(quán)衡判斷并優(yōu)化方案設(shè)計(jì)的過(guò)程中，不能僅僅以能耗達(dá)標(biāo)為目標(biāo)導(dǎo)向，忽略掉建筑空間使用者對(duì)空間光環(huán)境的需求。

本模擬項(xiàng)目在做模擬分析能耗計(jì)算時(shí)，首先保證空間光環(huán)境的合理性，然后經(jīng)過(guò)“外圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)—權(quán)衡判斷—再設(shè)計(jì)”的過(guò)程，直至方案達(dá)標(biāo)，通過(guò)模擬分析提出了外圍護(hù)結(jié)構(gòu)節(jié)能設(shè)計(jì)構(gòu)造具體做法，為今后嚴(yán)寒地區(qū)的大玻璃幕墻建筑節(jié)能設(shè)計(jì)提供一定的理論遵循和思想啟發(fā)，隨著建筑科技的不斷進(jìn)步，各種新型圍護(hù)結(jié)構(gòu)材料的研發(fā)，玻璃幕墻在嚴(yán)寒地區(qū)建筑設(shè)計(jì)上的應(yīng)用必將突破技術(shù)上的壁壘，走向多樣化，也更具創(chuàng)新性。